Jedną z głównych funkcji Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba jest odnajdywanie najwcześniejszych galaktyk rozszerzających naszą
Te systemy gwiezdne są znacznie dalejniż wszystkie wcześniej obserwowane obiekty we wszechświecie. Naukowcy piszą o galaktykach z przesunięciem ku czerwieni od 12 do 17. Ale w tej celebracji naukowego triumfu jest mucha: niektórzy badacze uważają, że wiek obiektów może być zniekształcony, a wyniki wymagają starannej weryfikacji.
Która galaktyka jest najbardziej odległa?
Przed wystrzeleniem Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba wprzez długi czas najdalszą potwierdzoną galaktyką była GN-z11. Został odkryty w 2016 roku za pomocą teleskopu Hubble'a. Jest około 25 razy mniejsza niż Droga Mleczna i stanowi około 1% jej masy. W tym samym czasie tworzenie się w nim gwiazd przebiegało 20 razy aktywniej.
GN-z11 znajduje się w gwiazdozbiorze Wielkiej Niedźwiedzicy,a astrofizycy szacują, że przesunięcie ku czerwieni wynosi 11,1. Oznacza to, że widzimy ją taką, jaka była 13,4 miliarda lat temu – zaledwie 400 lat po Wielkim Wybuchu. W miarę ciągłego rozszerzania się Wszechświata, galaktyki w przestrzeni oddalają się od siebie. Dlatego właściwa odległość do GN-z11 wynosi około 32 miliardów lat świetlnych.
Jeszcze przed premierą nowego teleskopu wiosną 2022astrofizycy ogłosili odkrycie jeszcze bardziej odległego kandydata, HD1. Został odkryty za pomocą Teleskopu Kosmicznego Subaru i obserwacji z obserwatoriów naziemnych. Według spektroskopii jego przesunięcie ku czerwieni wynosi 13,27, co odpowiada odległości 13,5 miliarda lat świetlnych. A sama galaktyka znajduje się teraz 33,4 miliarda lat świetlnych od Ziemi.
Już tydzień po publikacji pierwszych danychW Teleskopie Jamesa Webba naukowcy z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ogłosili odkrycie galaktyki GLASS-z13, która jest wstępnie przesunięta ku czerwieni w wieku 13. To około 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Tydzień później otrzymano wiadomość o galaktyce z przesunięciem ku czerwieni 14, a nawet 16,7. Jeśli to prawda, widzimy te galaktyki takimi, jakimi istniały około 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
To prawda, że wszystkie te wyniki są wstępne: jak dotąd żadna z tych wartości przesunięcia ku czerwieni nie została potwierdzona. Aby ustalić odległości do tych galaktyk, wymagana będzie analiza spektroskopowa.
Galaktyka GN-z11 widziana przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a.Zdjęcie: NASA, ESA, P. Oesch (Uniwersytet Yale), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Uniwersytet Yale) i G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)
Jak znajdują się nowe galaktyki?
W swojej pracy naukowcy wykorzystywali różne metody.Na przykład astrofizycy z University of Missouri-Columbia wykorzystali efekt soczewkowania grawitacyjnego stworzony przez masywną gromadę galaktyk SMACS J0723. Masywny obiekt zniekształca ruch światła, powiększając odległe obiekty, podobnie jak normalna soczewka teleskopu optycznego. Korzystając z tej metody, naukowcy znaleźli 88 kandydujących galaktyk z przesunięciem ku czerwieni wynoszącym co najmniej 11. Zdaniem naukowców niektóre z nich mogą mieć przesunięcie ku czerwieni do 20.
Inni naukowcy przeanalizowali obrazy różnychobszary nieba, w których nie wykorzystano efektu soczewkowania grawitacyjnego. Obrazy te są częścią badania Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), które składa się z obrazów 10 różnych obszarów nieba wykonanych kamerą bliskiej podczerwieni (NIRCam) teleskopu.
Aby potwierdzić prawdziwy wiek odległychobiekty wymagają analizy spektroskopowej, która dzieli światło z obiektu na widmo. W tym celu naukowcy wykorzystają spektrograf bliskiej podczerwieni (NIRSpec) Teleskopu Jamesa Webba oraz Instrument Mid-Infrared (MIRI) Kosmicznego Teleskopu.
Efekt soczewkowania grawitacyjnego na obrazie gromady SMACS J0723. Zdjęcie: NASA, ESA, CSA i STScI
Co to jest przesunięcie ku czerwieni?
W badaniu wczesnego wszechświata główneWskaźnikiem, którego używają naukowcy, jest przesunięcie ku czerwieni. Pomaga zrozumieć, jak szybko obiekt się od nas oddala. Tak jak sygnał lokomotywy parowej lub statku brzmi ciszej w miarę oddalania się od obserwatora, tak też zmienia się fala świetlna oddalającego się obiektu.
Wszechświat stale się rozszerza, co oznaczaodległe galaktyki oddalają się od Ziemi. Przy przesunięciu ku czerwieni promieniowanie elektromagnetyczne od oddalającego się obiektu zwiększa swoją długość fali. Oznacza to, że wszystkie szczegóły widma przesuwają się w kierunku obszaru czerwonego.
Im dalej jest galaktyka, tym wcześniej ją widzimytym bardziej jego światło było rozciągane w wyniku ekspansji Wszechświata. W rezultacie światło niebieskie i ultrafioletowe gorących młodych gwiazd pojawia się w podczerwieni 13,5 miliarda lat później.
Teleskop Jamesa Webba jest wyposażony w czułe instrumenty, które wykrywają promieniowanie w różnych częściach zakresu podczerwieni i dlatego mogą uchwycić promieniowanie wczesnego Wszechświata.
Zmiana koloru czerwonego i niebieskiego. Zdjęcie: Aleš Tošovský, CC BY-SA 3.0, za pośrednictwem Wikimedia Commons
Dlaczego pierwsze wyniki mogą być błędne?
Badania wstępne oparte są napojedyncze obserwacje i mogą być niedokładne. Na przykład zakurzone galaktyki gwiazdotwórcze, które istniały miliardy lat po Wielkim Wybuchu, mogą udawać rekordowo odległe galaktyki. A poza tym światło emitowane przez galaktyki może być zniekształcone przez inne obiekty.
Na przykład na podstawie tego, jak czerwonyGalaktyka CEERS-DSFG-1 pojawia się na zdjęciach Jamesa Webba, astronomowie określili przesunięcie ku czerwieni od 17 do 18. Oznacza to, że widzimy ją 220 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Jednak japońscy astronomowie użyli submilimetrowego teleskopu NOEMA, aby znaleźć tę samą galaktykę i wykazać, że zawiera ona ogromną ilość pyłu.
Pył pochłania krótsze i bardziej niebieskie faleświatło gwiazd, wpuszczając dłuższe i bardziej czerwone. Oznacza to, że wizualnie obserwowana z Ziemi taka galaktyka będzie wydawała się bardziej czerwona. Po dostosowaniu wyników obserwacji do wpływu pyłu naukowcy wykazali, że rzeczywiste przesunięcie ku czerwieni wynosi tylko około 5. Oznacza to, że galaktyka jest widoczna 1,3 miliarda lat po Wielkim Wybuchu.
Galaktyka CEERS-DSFG-1 na zdjęciu z teleskopu"James Webb" z obserwacjami NOEMA nałożonymi na niego jako linie konturowe. Po prawej widać, jak kandydat wygląda, gdy jest oglądany przez różne filtry: nie pojawia się w filtrach o mniejszej długości fali, ale staje się bardziej widoczny w filtrach bardziej czerwonych. Zdjęcie: J. Zavala i in.
Naukowcy doszli do podobnych wynikówbadanie kandydującej galaktyki CEERS-1749. Nazwali swoje odkrycie galaktyką Schrödingera. Chodzi o to, że przesunięcie ku czerwieni może być równe 5 lub 17. Jeśli mówimy o oddzielnej odległej galaktyce, to jest to jeden z najbardziej odległych znanych podobnych systemów, a jeśli jest częścią gromady, to znowu mówimy o miliardach lat po Wielkim Wybuchu. Wszystko stanie się jasne po nowych badaniach.
Niezależnie od tego, czy są potwierdzonedeklarowanych rekordów, nowe odkrycia wniosą znaczący wkład w zrozumienie procesów rozwoju wczesnego Wszechświata. Nawet "bliskie" odległe galaktyki z przesunięciem ku czerwieni około 5 otwierają nowe dane.
Pył międzygwiazdowy jest produktem ubocznym cyklunarodziny i śmierć gwiazd. Aby wpłynąć na przesunięcie ku czerwieni, musi być dużo takiego kurzu. A to oznacza, że w takich galaktykach powinno zachodzić niezwykle intensywne formowanie się gwiazd. Wcześniej naukowcy nie wiedzieli o takich procesach.
Duża liczba odległych galaktyk z różnych okresów życia Wszechświata pomoże zrozumieć, w jaki sposób powstały i rozwinęły się pierwsze układy gwiezdne.
Czytaj więcej:
„James Webb” wysłał zdjęcie zderzenia dwóch ogromnych galaktyk
„Bezużyteczne” bakterie na Ziemi zapewnią życie kolonistom Marsa
Na piramidzie w Chinach znaleziono portret „króla przodków”. Rządził ponad 4000 lat temu